경사 궤도
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1. 개요
경사 궤도는 위성의 궤도면이 지구의 적도면과 이루는 각도를 의미한다. 경사 궤도의 종류에는 대지 동기 궤도, 극궤도, 태양 동기 궤도가 있으며, 각 궤도는 궤도 경사각과 특성에 따라 구분된다. 대지 동기 궤도는 궤도 경사각에 따라 정지 궤도와 경사 궤도로 나뉘며, 극궤도는 궤도 경사각이 90도인 궤도로 지구 관측 등에 활용된다. 태양 동기 궤도는 위성이 매일 같은 시간에 특정 지점 상공을 지나도록 설계된 궤도이다. 경사 궤도는 지구 관측, 기상 관측, 통신 등 다양한 분야에서 활용되며, 한국의 우주 개발에서도 중요한 역할을 한다.
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| 경사 궤도 | |
|---|---|
| 궤도 정보 | |
| 정의 | 천체를 도는 궤도가 기준면에 대해 기울어진 상태 |
| 기준면 | 행성 궤도의 경우: 불변면 또는 행성의 적도면 태양계 천체의 경우: 황도면 지구 인공위성의 경우: 지구 적도면 |
| 궤도 경사 | |
| 기호 | i |
| 정의 | 궤도면과 기준면 사이의 각도 |
| 범위 | 0° ~ 180° |
| 순행 궤도 | 0° < i < 90° |
| 역행 궤도 | 90° < i < 180° |
| 극궤도 | 약 90° |
| 지구 궤도 분류 | |
| 저궤도 (LEO) | 경사각 다양 |
| 중궤도 (MEO) | GPS: 55° 글로나스: 64.8° |
| 정지 궤도 (GEO) | 경사각: 0° (엄밀히는 0°에 가깝게 유지) 정지 궤도: 지구 적도면과 일치 경사 정지 궤도: 고의적으로 경사각 부여 (주로 러시아 몰니야 궤도 위성) |
| 활용 | |
| 인공위성 | 태양 동기 궤도: 지구 관측 위성에 유용 극궤도: 지구 전체 지역 커버 가능 몰니야 궤도: 고위도 지역 통신에 적합 |
2. 경사 궤도의 종류
경사 궤도에는 여러 종류가 있다. 대표적으로 대지 동기 궤도, 극궤도, 태양 동기 궤도 등이 있다.
2. 1. 대지 동기 궤도 (Geosynchronous orbit)
정지 궤도는 궤도 경사각이 0도가 아닌 지구 동기 궤도이다. 이러한 궤도를 가진 위성은 지상에서 보았을 때 남북 방향으로 움직이는 것처럼 보이며, 항성일마다 한 번씩 아날렘마라고 불리는 8자 모양의 궤적을 그린다.[1]이 궤도는 불안정하기 때문에 궤도 유지를 위해 지속적으로 추력기를 작동시켜야 한다. 주로 히드라진이 연료로 사용되며, 위성 연료의 상당 부분이 궤도 유지에 소모된다. 연료가 고갈될 때쯤이면, 위성 운영자는 비용 절감을 위해 궤도 경사각 수정은 포기하고 궤도 이심률만 제어하기도 한다. 이는 위성의 수명을 연장시키지만, 위성의 남북 이동을 추적할 수 있는 특수 지상 안테나를 통해서만 위성을 사용할 수 있게 된다. 수명이 다한 위성은 다른 위성과의 충돌을 막기 위해 묘지 궤도로 이동된다.
NASA는 다양한 궤도를 시각화하기 위해 대부분의 상업 위성의 궤도를 실시간으로 표시하는 Java 기반 시스템을 운영하고 있다.
2. 1. 1. 정지 궤도 (Geostationary orbit)
정지 궤도는 고도가 37000km인 경사 궤도로, 항성일마다 한 바퀴를 돌며 하늘에서 작은 8자 모양을 그린다.[1] 정지 궤도는 경사각이 없는 정지 궤도의 특수한 경우이며, 따라서 지구 표면의 고정된 관측 지점에서는 하늘을 가로지르는 겉보기 움직임이 없다.내재된 불안정성 때문에 정지 궤도는 추력기를 사용하여 수정하지 않으면 결국 경사하게 된다. 위성의 수명이 다해 연료가 고갈될 때가 되면, 위성 운영자는 이러한 고가의 경사각 수정 기동을 생략하고 이심률만 제어하기로 결정할 수 있다. 이렇게 하면 시간이 지남에 따라 연료 소모가 줄어들어 위성의 수명이 연장되지만, 위성은 북-남 운동을 따라갈 수 있는 지상 안테나, 즉 위성 추적 지상국에서만 사용할 수 있다.
위성이 지구 적도 상공 약 36,000km에 위치하면 정지 궤도가 되며, 지상의 고정점에서 보면 움직이지 않는 것처럼 보인다. 위성의 궤도면은 적도면에서 몇 도 기울어져 있으며, 경사 궤도에 있다. 정지 궤도 경사 궤도의 경우, 위성은 정지 상태(24시간마다 지구를 한 바퀴 도는 상태)에 있지만, 정지 궤도 상태는 아니다. 지구상의 고정점에서 관측하면, 남북 방향으로 뻗은 아날렘마를 그린다. 위성은 항성일마다 한 번, 같은 아날렘마를 그린다.
정지 궤도는 안정적이지 않다. 위에서 언급한 중력에 적극적으로 대항하기 위해, 일정한 조작이 이루어진다. 일반적으로는 히드라진이 사용되지만, 위성 연료의 대부분은 이 목적을 위해 사용된다. 그렇지 않으면, 위성의 궤도 경사각은 시간의 경과에 따라 변화해 버린다. 연료가 다 떨어진 위성의 수명이 마지막에는, 이러한 궤도 경사각의 보정은 단념되고, 궤도 이심률만 제어하게 된다. 이것에 의해 연료의 소비가 억제되고, 위성의 수명이 늘어나지만, 위성은 남북 방향의 움직임을 추적할 수 있는 지상의 안테나에서만 사용되게 된다. 연료가 다 떨어지기 전에, 다음 미션을 위한 정지 고도를 비워두기 위해, 위성은 묘지 궤도로 이동된다.
2. 2. 극궤도 (Polar orbit)
극궤도는 궤도 경사각이 90도인 궤도로, 매 궤도마다 행성의 극점을 통과한다. 이러한 궤도는 지구 관측 및 기상 서비스에 자주 사용된다.[1]2. 3. 태양 동기 궤도 (Sun-synchronous orbit)
이 궤도는 세차 운동이 태양이 황도를 따라 움직이는 속도와 동일하게 일어나, 위성이 지구 표면의 고정된 위치 위로 매일 같은 평균 태양시에 떠오르도록 하는 특수한 종류의 궤도이다.이러한 궤도는 다음 방정식에 의해 결정되는 경사각을 갖는다.
:
여기서 는 궤도 경사각이고, 는 궤도 주기이다.
3. 경사 궤도의 활용
위성이 지구 적도 상공 약 36000km에 위치하면 정지 궤도가 되며, 지상의 고정점에서 보면 움직이지 않는 것처럼 보인다. 하지만 위성의 궤도면이 적도면에서 몇 도 기울어져 있으면 경사 궤도에 있게 된다. 정지 궤도 경사 궤도의 경우, 위성은 정지 상태(24시간마다 지구를 한 바퀴 도는 상태)에 있지만, 정지 궤도는 아니다. 지구상의 고정점에서 관측하면, 남북 방향으로 뻗은 아날렘마를 그린다. 위성은 항성일마다 한 번씩 같은 아날렘마를 그린다.
정지 궤도는 안정적이지 않다. 중력에 대항하기 위해 일정한 조작이 이루어지는데, 일반적으로 히드라진이 사용된다. 위성 연료의 대부분은 이 목적을 위해 사용된다. 그렇지 않으면 위성의 궤도 경사각은 시간이 지남에 따라 변화한다. 연료가 다 떨어진 위성의 수명 마지막에는 궤도 경사각 보정을 단념하고, 궤도 이심률만 제어하여 연료 소비를 억제하고 위성의 수명을 늘린다. 하지만 이 경우 위성은 남북 방향의 움직임을 추적할 수 있는 지상 안테나에서만 사용 가능하다. 연료가 다 떨어지기 전에 위성은 묘지 궤도로 이동된다.
NASA는 다양한 궤도의 시각화를 위해 대부분의 상업 위성의 궤도를 실시간으로 표시하는 Java 기반 시스템을 운영하고 있다.
3. 1. 지구 관측
극궤도는 궤도 경사각이 90도로, 매 궤도마다 행성의 극점을 통과한다. 이러한 궤도는 지구 관측 및 기상 서비스에 자주 사용된다.[1]이 궤도는 세차 운동이 태양이 황도를 따라 움직이는 속도와 동일하게 일어나, 위성이 지구 표면의 고정된 위치 위로 매일 같은 평균 태양시에 떠오르도록 하는 특수한 종류의 궤도이다.[1]
이러한 궤도는 다음 방정식에 의해 결정되는 경사각을 갖는다.[1]
:
여기서 는 궤도 경사각이고, 는 궤도 주기이다.[1]
3. 2. 기상 관측
극궤도는 궤도 경사각이 90도로, 매 궤도마다 행성의 극점을 통과한다. 이러한 궤도는 지구 관측 및 기상 서비스에 자주 사용된다.[1]3. 3. 통신
정지 궤도는 고도가 37000km인 경사 궤도로, 항성일마다 한 바퀴를 돌며 하늘에서 작은 8자 모양을 그린다.[1] 정지 궤도는 경사각이 없는 정지 궤도의 특수한 경우이며, 따라서 지구 표면의 고정된 관측 지점에서는 하늘을 가로지르는 겉보기 움직임이 없다.내재된 불안정성 때문에 정지 궤도는 추력기를 사용하여 수정하지 않으면 결국 경사하게 된다. 위성의 수명이 다해 연료가 고갈될 때가 되면, 위성 운영자는 이러한 고가의 경사각 수정 기동을 생략하고 이심률만 제어하기로 결정할 수 있다. 이렇게 하면 시간이 지남에 따라 연료 소모가 줄어들어 위성의 수명이 연장되지만, 위성은 북-남 운동을 따라갈 수 있는 지상 안테나, 즉 위성 추적 지상국에서만 사용할 수 있다.
위성이 지구 적도 상공 약 36,000km에 위치하면 정지 궤도가 되며, 지상의 고정점에서 보면 움직이지 않는 것처럼 보인다. 위성의 궤도면은 적도면에서 몇 도 기울어져 있으며, 경사 궤도에 있다. 정지 궤도 경사 궤도의 경우, 위성은 정지 상태(24시간마다 지구를 한 바퀴 도는 상태)에 있지만, 정지 궤도 상태는 아니다. 지구상의 고정점에서 관측하면, 남북 방향으로 뻗은 아날렘마를 그린다. 위성은 항성일마다 한 번씩 같은 아날렘마를 그린다.
정지 궤도는 안정적이지 않다. 위에서 언급한 중력에 적극적으로 대항하기 위해, 일정한 조작이 이루어진다. 일반적으로는 히드라진이 사용되지만, 위성 연료의 대부분은 이 목적을 위해 사용된다. 그렇지 않으면, 위성의 궤도 경사각은 시간의 경과에 따라 변화해 버린다. 연료가 다 떨어진 위성의 수명 마지막에는, 이러한 궤도 경사각의 보정은 단념되고, 궤도 이심률만 제어하게 된다. 이것에 의해 연료의 소비가 억제되고, 위성의 수명이 늘어나지만, 위성은 남북 방향의 움직임을 추적할 수 있는 지상의 안테나에서만 사용되게 된다. 연료가 다 떨어지기 전에, 다음 미션을 위한 정지 고도를 비워두기 위해, 위성은 묘지 궤도로 이동된다.
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